球阀阀杆断裂失效分析

    管线球阀是输油输气管线中不可缺少的控制介质元件。某单位使用的一台进口管线球阀，在项目现场发生了阀杆断裂事故，导致此台阀门无法正常使用，委托我公司进行维修。为了找到阀杆断裂的主要原因，特此进行了以下分析。

    阀杆断口位于O形圈槽与台阶的过渡处，断口面比较平整（见图1）。阀门经解体后发现：球面有明显的划痕，并且有多处坑窝（见图2）；阀座上的O形圈已损坏，存在长约8mm的缺口（见图3）。

图1 阀杆断口形貌

图2 球体损伤部位

图3 阀座组件

    1.过程分析

    经解体后得知：此阀门结构为双向阀座密封固定式球阀，主要由阀体、左右连接体、阀杆、上下支撑板、球体、密封圈、执行机构等组成；密封副由阀座组件上的O形圈与球体球面构成；球体由上下两个支撑板支撑，通过旋转执行机构带动阀杆转动，从而实现球体的90°旋转，并通过进出口两端阀座与球体的密封，实现接通和截断介质的目的。

    这种结构形式的阀门特点是：阀门为筒状体、固定球结构，阀座采用双座双向自密封结构，同时有预紧弹簧，保证密封可靠和自动泄放腔中过高压力的功能；阀门内置有支撑板，球体通过上下支撑板固定于阀腔之中，大大减小阀杆的受力情况。当阀门在正常工作时，介质的密封力通过支撑板作用到连接体上，使得阀杆承受扭矩很小。

    2.理化分析及无损检测

    （1）化学成分用光谱分析仪进行光谱分析，结果参见表1。

表1 阀杆材料化学成分（质量分数）   （%）

    从以上数据分析可以得知：阀杆的材质符合ASTMA322对4130材料的要求。

    （2）力学性能试验断裂阀杆加工成拉伸试样，在WE—60型万能材料试验机上进行拉伸试验，试验结果见表2。

表2 阀杆材料力学性能试验数据

    从以上试验数据可以得知：阀杆的力学性能是不达标的。为了探究力学性能偏低的原因，特此进行了微观组织分析。

    （3）微观组织分析取样部位为阀杆断裂面，金相观察纵截面金相组织为珠光体与铁素体（见图4），而且呈连续带状分布，带状组织达到5级（按GB/T13299—1991C系列评级标准）。组织中铁素体晶界清晰可见，珠光体带宽窄不一，见图5。

图4 阀杆截面金相组织100×

图5 淬火+回火后试件金相形貌500×

    从图4明显看出：铁素体和珠光体呈带状交替分布，呈现出较为明显的带状组织，内部组织极不均匀。低合金钢经调质处理后，内部应分布较为均匀的回火索氏体组织。图5为试样经合理工艺进行调质处理的金相组织。

    （4）表面硬度检测阀杆在HB—3000型布氏硬度试验机上检测硬度，其表面硬度190～207HBW，明显偏低。

    （5）无损检测分别对断裂阀杆按JB/T4730—2005的规定进行了磁粉和超声波无损检测，结果显示：表面及内部无超标缺陷。

    3.扭矩及零件尺寸检测

    （1）扭矩检测重新加工阀杆并组装后，对事故阀门进行了扭矩测试，结果见表3。

表3 阀门扭矩测试数据

    阀门的启闭扭矩是随着压力的增加而不断增大的，当压力达到公称压力时，阀门的启闭扭矩为300N•m，折算到阀杆上的扭矩值为2704N•m。经计算，设计扭矩应为270N•m左右，实际操作扭矩远大于设计扭矩。为了进一步找到扭矩剧增的其他原因，特此对此阀门的关键零件进行了尺寸检测。

    （2）零件尺寸检测阀门解体后，用三坐标测量仪分别对支撑板、阀体与连接体组件等关键零部件进行尺寸检测，数据见表4。

表4 阀门关键零部件尺寸检测数据

    对检测数据进行分析得知，支撑板端面与连体端面存在较大间隙。上支撑板左边间隙为1.53mm，右边间隙为2.03mm；下支撑板左边间隙为1.36mm，右边间隙为2.17mm。

    若支撑板端面与连接体止口端面间隙过大，则在介质力的作用下，支撑板会发生移动，将压紧力传递到阀杆上，这样会使阀杆承受很大的扭矩和剪切力。实践证明：支撑板端面与连接体止口端面之间间隙为0.2～0.5mm时较为适宜。而此台阀门支撑板与连接体止口端面的间隙远超过0.5mm，在介质力的作用下，阀杆会承受较大的扭矩。

    4.结语

    造成此台管线球阀阀杆断裂的主要原因有：支撑板端面与连接体止口端面之间存在过大的间隙，尺寸超差；阀杆材料的热处理工艺不当，导致阀杆的强度、硬度均低于标准值。